本研究旨在利用高分辨率计算机断层扫描（HRCT）和MRI-Dixon数据融合构建包含椎体和脊神经模型的患者特异性腰椎三维打印模型。
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摘要
摘要
选择性脊神经后根切断术（SDR）是一种难度高、风险大且技术复杂的手术，其中椎板切除术不仅需要充分暴露手术视野，还必须保护患者的脊神经免受损伤。数字模型在SDR手术的术前规划和术中操作中发挥着重要作用，因为它们不仅有助于医生更熟悉手术部位的解剖结构，还能为手术机械臂提供精确的导航坐标。本研究旨在建立一种患者特异性的腰椎三维数字模型，用于SDR手术的规划、术中导航及培训。同时，还制造了三维打印模型，以在上述过程中实现更高效的操作。
传统的骨科数字模型几乎完全依赖于计算机断层扫描（CT）数据，而CT对软组织的敏感性较低。将CT提供的骨性结构与磁共振成像（MRI）提供的神经结构进行融合，是本研究中模型重建的关键环节。通过重建患者特异性的三维数字模型，可真实呈现手术区域的解剖形态，并准确显示结构间距离及区域分割情况，从而有效辅助选择性脊神经后根切断术（SDR）的术前规划与训练。3D打印模型采用透明骨性结构材料，使外科医生能够清晰辨别脊神经与手术节段椎板之间的相对关系，增强其对解剖结构的理解和空间感知能力。个体化三维数字模型及其精确呈现的脊神经与骨性结构之间的关系，使该方法成为SDR手术术前规划的理想选择。
引言
痉挛型脑性瘫痪影响超过半数的脑性瘫痪患儿1，可导致肌腱挛缩、骨骼发育异常以及活动能力下降，严重影响患儿的生活质量2。选择性脊神经后根切断术（SDR）作为治疗痉挛型脑性瘫痪的主要外科手段，已得到多个国家的充分验证和推荐3,4。然而，SDR手术过程复杂且风险较高，包括精确切除椎板、神经根的定位与分离以及神经纤维的切断等操作，对于刚开始在临床实践中接触SDR的年轻医生而言具有显著挑战性；此外，SDR的学习曲线非常陡峭。
在传统的骨科手术中，外科医生必须在脑中整合所有术前二维（2D）影像，并构建三维（3D）手术方案5。对于涉及复杂解剖结构和手术操作（如选择性脊神经后根切断术，SDR）的术前规划，这种方法尤其困难。随着医学影像和计算机技术的进步，可将计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）等二维轴向图像处理为具有患者特异性解剖结构的三维虚拟模型6。通过更清晰的可视化，外科医生可分析这些处理后的信息，从而做出更详细的诊断，并制定针对患者病情的个性化手术规划和干预措施。近年来，多模态图像融合技术在骨科领域的应用逐渐受到关注7。该技术能够融合CT与MRI图像，显著提高数字化3D类比模型的准确性。然而，该技术在SDR术前模型中的应用尚未得到研究。
在选择性脊神经后根切断术（SDR）中，精确地定位脊膜和脊神经，并在手术过程中进行精准切割，是确保手术成功的关键。传统上，这些操作依赖于专家的经验，并在术中通过C型臂X光机反复确认，导致手术过程复杂且耗时。三维数字模型可作为未来SDR手术导航的基础，也可用于椎板切除术的术前规划。 该模型融合了来自CT的骨性结构和来自MRI的脊神经结构，并根据手术计划对拟切除的腰椎节段赋予不同颜色。此类用于SDR手术的全息三维打印模型，不仅有助于术前规划与模拟，还可向术中机械臂输出精确的三维导航坐标，实现精准切割。
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方案
所有数据均来自在北京东直门医院接受脊髓去传入术（SDR）治疗的临床患者。本研究方案遵循并经东直门医院研究伦理委员会批准。
注意：模型重建流程的完整示意图见图1。高分辨率计算机断层扫描（HRCT）数据与Dixon数据是建模的原始材料；随后，三维模型的创建包括图像配准与融合。最终的三维数字模型采用PolyJet技术进行打印，这是一种高精度的3D打印工艺，可使用多种材料制造表面光滑且精确的部件。为了准确描述椎体与脊神经之间的空间关系，采用了HRCT数据与Dixon图像序列。Dixon扫描能够实现水和脂肪的分离成像，其中Dixon水相图像序列可用于提取脊神经结构，而Dixon同相位图像序列可用于验证骨结构的配准效果。
图 1：实验方案整体流程图。 本研究的研究方法包括CT与磁共振Dixon序列的融合。具体而言，将CT获取的椎骨结构与Dixon-in序列中对应的椎骨结构进行配准，随后与Dixon-w序列融合以显示脊神经。请点击此处查看该图的放大版本。
1. 数据收集与准备
- 用于椎体的高分辨率CT
注意：参数差异对研究方法不敏感。- 从CT设备终端设置数据来源。
注意：此处使用SIEMENS-CTAWP73396型CT设备。 - 打开 Syngo CT 2012B 软件，接收来自扫描协议 SpineRoutine_1 的数据。选择数据集的 像素尺寸 和 层厚（ST），以适配拟在三维数字模型中呈现的椎体大小。
- 采用1 mm的层厚，矩阵大小为512像素 × 512像素，像素间距为0.3320 mm。最终获得的三维体数据实际尺寸为512 × 512 × 204体素。
- 从CT设备终端设置数据来源。
- 用于脊神经的Dixon序列
注意：本研究使用1.5 T磁共振成像（MRI）设备。- 将Dixon图像的分辨率设为290像素 × 320像素，像素间距设为0.9375 mm，层厚设为3 mm，以获取准确数据。
- 将重复时间设为5,160 ms，回波时间设为94 ms。
- 确保每个扫描层面包含四期图像，分别为Dixon-in、Dixon-opp、Dixon-F和Dixon-w。
- 为模型重建准备数据存储文件。
注意：结构清晰的数据存储方式更便于后续工作。- 创建一个项目文件夹，用于存放属于该患者的所有数据。
- 为高分辨率CT（HRCT）和MRI-Dixon数据分别建立不同的文件夹，用于存放医学数字成像与通信（DICOM）数据，从而设置不同的文件路径。
- 在项目文件夹下另建一个独立文件夹，用于存放所有分析结果。
2. 三维数字椎骨模型
注意：所有子进程函数均来自软件工具，其所有权属于北京智熵科技有限公司。
- 在 MATLAB 工作区中调用 Dicom2Mat 子程序，从 HRCT 数据文件夹中存储的 DICOM 文件获取三维体数据。
- 执行 Dicom2Mat 子程序后，通过图形用户界面（GUI）查看三维体数据中的每一层切片，如 图 2 所示。
- 然后，利用 hist 函数可视化椎体 HRCT 数据的强度分布（图 3）。
- 调用 NoiseClean 子程序，清除 HRCT 数据文件路径下由设备产生的信号噪声。
- 在同一路径下使用 Vertebrae 函数子程序获得椎体模型，该模型同样为三维体数据，但仅包含骨结构（图 4）。高通滤波器参数的强度范围为 190 至 1,656。
3. 三维数字脊神经模型
注意：Dixon-in 包含骨结构，而 Dixon-w 描述神经结构。
- 在 Dixon-in 和 Dixon-w 序列的两条路径中均使用 Dicom2Mat 子程序，并获取其三维体积。
- 此外，使用 图5 所示的图形用户界面（GUI）可视化构成三维体积的每一个单独切片。在完成 Dicom2Mat 子程序后，即可访问该可视化界面。
- 使用 Spinal_Nerve 函数，结合高通滤波参数（强度范围为 180 至 643），重建脊神经模型。由于 Dixon-w 序列中神经信号强度非常高，可通过滤除低强度点来提取脊神经的三维体积。
- 当 Spinal_Nerve 子程序完成后，通过 图6 所示的图形用户界面（GUI）检查生成的模型。
4. 配准与融合
注意：关键在于，骨结构在HRCT和Dixon-in成像序列中均可见。
- 复制迄今为止获得的三个3D体积数据至第3.1步所创建项目的文件路径中。HRCT和Dixon-in的模型包含相同的椎体结构，而Dixon-in与Dixon-w的模型具有相同的坐标。
- 随后，将这三个模型的文件名输入到vertebra_fusion子程序中，以生成融合模型。此过程可在图7中进行可视化。
- 融合通常效果良好。若从医生角度判断需要进行微调，可在所有方向上向同一函数添加坐标参数，以校正融合模型。若从临床角度观察到融合存在轻微误差，可使用vertebra_fusion函数对融合坐标进行精细调整。该过程涉及对坐标方向的六个维度（XYZ坐标及其旋转）进行参数调节。
- 在项目目录中新建一个独立文件夹，用于输出融合模型的结果。
3D 打印的数字模型文件
注意：采用完全成熟的3D打印设备来制造上述数字模型，并实施德劳内三角剖分。本实验中使用的是Stratasys J55 Prime 3D打印机。
- 导出 融合模型，以用于3D打印，并将其保存为DICOM格式序列，存储路径位于融合目录下的文件路径中。通过输入融合模型，使用Mat2Dicom算法执行导出操作。
- 使用Materialise Mimics V20打开先前导出的DICOM文件序列。要执行导出操作，请在“文件”选项卡下进入导出菜单，并选择VRML格式。导出的文件路径可根据用户需求自由自定义。
- 由于透明彩色3D打印属于专业服务，需将VRML文件压缩打包后发送给服务提供商。3D打印结果如图8所示。
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结果
基于脑瘫患儿腰椎CT/MRI图像融合数据，我们构建了一个包含腰椎及脊神经的代表性模型。采用高通滤波技术，从高分辨率CT（HRCT）中提取CT值范围为190–1,656的高信号，以实现手术区域腰椎骨性结构的重建。脊神经结构则通过MRI的Dixon-w序列高通滤波进行重建。通过刚性配准，获得腰椎结构与脊神经融合的数字模型及点云数据坐标，并将文件保存为立体光刻（STL）格式，用于数据测量及后续打印处理。STL数字模型文件被转换为VRML格式，以传输至Stratasys J55 Prime 3D打印机。为在选择性脊神经后根切断术（SDR）中主动展示手术区域的解剖结构，我们将骨骼部分使用透明树脂打印，其他结构则以不同颜色打印。该3D打印模型可在术前规划与培训过程中，向外科医生和患者清晰呈现SDR手术关键部位的空间关系。
所获得的个性化三维腰椎模型为脊髓神经松解术（SDR）的术前规划和训练提供了可能。使用不同颜色的染料对骨骼和神经等结构进行染色并加以区分。如图8所示，脊神经结构被染成黄色，相应手术区域内的L4和L5节段椎板分别用红色和...
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讨论
本研究提供了一种针对脑瘫患者建立腰椎术前3D打印模型的工作流程，旨在促进选择性脊神经后根切断术（SDR）的术前规划，并基于患者特异性模型加强解剖学培训。研究目标是建立一种高度可靠的3D打印模型，准确展示患者的腰椎骨性结构及神经结构。通过在术前测量模型中椎板及脊神经的位置，可实现对椎板切除范围的精确规划，从而优化手术操作流程，并提升对SDR手术技术的掌握水平。
本研究探讨的主要关键步骤是CT序列与Dixon序列的融合。该融合依赖于CT数据与Dixon-in序列中存在相同的骨性结构，以及Dixon-in与Dixon-w数据位于同一坐标系的事实。这使得脊神经与椎体骨性结构的最终融合成为可能。第二个关键步骤是采用彩色透明打印技术制造三维数字模型。该打印技术能够清晰显示患者的解剖结构、椎板切除术的精确位置，以及椎间孔与神经根的相对位置。
近几十年来，许多外科团队已开发出多种选择性脊神经后根切断术（SDR）的创新技术8,9...
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披露
本研究中的数字模型由共同作者 Fangliang Xing 重建。
致谢
本出版物得到了北京市自然科学基金（L192059）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| J55 Prime 3D打印机 | Stratasys | J55 Prime | 模型的制造 |
| MATLAB | MathWorks | 2022B | 计算与可视化 |
| Mimics | 玛特赛斯 | Mimics Research V20 | 模型格式转换 |
| 体积分割融合工具 | 智能熵 | VolumeFusion V1.0 | 北京智能熵科技 & Technology Co Ltd. CT/MRI 融合建模 |
参考文献
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重印与许可
